CPC微通道太陽能集熱器運行特性實驗系統設計

王雪勍， 徐榮吉， 王 岸， 宋文昊， 王瑞祥， 許淑惠

（北京建筑大學北京市建筑能源綜合高效利用工程技術研究中心，北京 100044）

0 引 言

太陽能是未來能源的重要組成部分，但其具有區域性、分散性、間歇性等缺點，所以高效利用太陽能變得尤為重要［1-3］。復合拋物聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC）可以在無跟蹤系統的情況下實現一定倍數的聚光作用而廣受關注［4］。Zhang 等［5］發現光線通過CPC聚光后，會在吸熱器表面形成非均勻的熱流密度分布。丁虎［6］模擬了使用圓管型吸熱器的CPC聚光器在一年中不同光線入射角下的光路及熱流密度分布，發現吸熱器表面熱流密度不均勻會使吸熱器局部的溫度較高而降低集熱器的集熱性能。此外，有研究發現不均勻的熱流密度分布所導致的局部溫度較高會加速吸熱器的老化［7］，還會導致吸熱器熱應力變形［8］。

微通道換熱器結構簡單、成本低，熱響應速度快，等溫性能好［9］，對流換熱系數比傳統換熱器高50% ～100%、抗壓抗腐蝕，是基于微尺度效應而興起的一種高效換熱器，廣泛應用于汽車空調、微電子領域［10］，并在太陽能集熱器中有探索應用［11］。微通道平板集熱器與傳統平板相比，將吸熱器由銅圓管更換為鋁微通道扁管，增加了接觸面積從而大幅度降低兩界面的接觸熱阻。王娜［12］通過數值模擬得到微通道平板型太陽能集熱器，最佳流道尺寸為0.7 mm，最佳空氣夾層間距為17 mm。且其發現通過減小集熱器流道尺寸，大大減少了水的體積熱容，從而獲得較高的出口溫度。陳孝根等［13］也對微通道流道尺寸進行了三維流動傳熱數值研究，發現當流道矩形截面高寬比為2 ～4 時微通道具有較好的換熱及流動性能。微通道的尺度效應還表現在由于較高的壁厚管徑比可對表面非均勻熱流密度的起到均化作用，使內部工質吸熱均勻。但是由于微通道尺寸小，其內部工質溫度的測量比較困難。

基于CPC的聚光特性及微通道吸熱器的特點，本文提出了一種以平行流微通道為吸熱器的CPC 太陽能集熱器，設計并搭建了此集熱器的運行特性實驗測試系統，加工了微通道溫度測試模塊，實現了11 個2.5 mm × 1.2 mm平行流道組成的微通道扁管吸熱器內工質的溫度測量。實驗系統可以通過改變環境參數（太陽輻射強度、環境溫度、環境風速）、操作參數（集熱溫度、水流量）測定集熱器的動態運行特性。此外，通過對微通道吸熱器表面熱流密度分布的計算以及進出口工質溫度的測量，可以研究微通道對CPC 非均勻聚光的均化作用。該實驗測試平臺還可以用于本科生實驗實踐教學，利用真實的實驗測試環境，使學生更直觀理解集熱器動態運行特性。

1 實驗裝置

CPC微通道太陽能集熱器運行特性實驗系統，如圖1 所示，包括CPC 微通道太陽能集熱單元、恒溫水循環系統、測試及數據采集系統。

圖1 CPC微通道太陽能集熱單元動態特性測試系統

1.1 CPC微通道太陽能集熱器及集熱單元

CPC微通道太陽能集熱器主要由微通道吸熱器、CPC、蓋板、進水管、出水管、保溫層和外殼組成，如圖2所示。透過蓋板的太陽光線一部分直接到達微通道吸熱器上表面；另一部分經過CPC反射到達。由于CPC的聚光作用，會在微通道吸收表面形成不均勻的能量分布［14］。

圖2 太陽能集熱器示意圖

為有針對性地研究微通道吸熱器對CPC 非均勻聚光的均化作用，選取CPC微通道太陽能集熱器中的一個集熱單元進行實驗（見圖3）。其中CPC 微通道集熱器單元是由3 D打印成型的CPC聚光器作為模具，然后聚氨酯發泡作為保溫層而成。

圖3 CPC微通道集熱器單元

1.2 恒溫水循環系統

恒溫水循環系統由恒溫水槽（DC2006，精度0.1℃）、循環水泵（無刷直流水泵4509）、閥門及連接管路組成，如圖1 所示。通過恒溫水槽及閥門可以實現不同集熱溫度及集熱流量實驗工況的設定。

1.3 測試及數據采集系統

測試及數據采集系統包括太陽能總輻射表（JTBQ-2）、風速儀（HJF-S2，精度±（0.3 ＋0.03 ×風速）m/s）、轉子式流量計（LZB-10）、熱電偶（OmegaT型熱電偶，精度± 0.3 ℃）、壓力傳感器（希瑪SMART SENSOR AS510）、數據采集儀（安捷倫34980A）和自編的LabVIEW數據采集程序（見圖4）。

圖4 LabVIEW數據采集處理界面圖

由于系統每個流道尺寸較小，內部工質溫度很難測量。基于此，設計了微通道溫度測試模塊，并預留壓力測試孔，如圖5 所示。測試模塊斷面扁槽尺寸與微通道斷面流道尺寸對應，裝配后微通道插入扁槽。然后有一穩壓腔，起穩定流動作用；考慮到扁管較寬，設置兩個工質進（出）口。在垂直于微通道工質流動方向，設有11 個熱電偶測溫孔，分別與微通道11 個流道的中心相對應，且恰好處于微通道出（入）口邊緣。熱電偶測溫孔上部孔徑為2 mm，下部孔徑為0.5 mm（熱電偶絲0.25 mm × 2）。在混合腔垂直方向中部，熱電偶測溫孔平行方向，預留3 mm的測壓孔，以便于測試微通道吸熱器工質的壓降。該測試模塊也可設計為對稱結構，兩邊分別插入微通道扁管，可測量微通道中部流體溫度。

圖5 微通道溫度測試模塊圖

1.4 數據處理方式

太陽能總輻射表和風速儀輸出信號為電壓信號，安捷倫采集到電壓信號后，用LabVIEW將其轉換為直觀的太陽輻射強度值和風速值，太陽輻射強度與電壓信號關系為：I ＝80xI。式中：I 為太陽輻射強度，W/m2；xI為系統中所采集的太陽輻射電壓信號，V。

環境風速傳感器輸出信號也為電壓信號，測試的環境風速與電壓信號關系為

式中：v為環境風速，m/s；xv為系統中所采集的風速電壓信號，V。

將太陽輻射強度和環境風速的關系式編入LabVIEW中便可獲得實時的太陽輻射強度值和風速值。集熱效率作為太陽能集熱器的一項重要指標，其瞬時效率可用下式表示：

式中：集熱單元熱量計算公式為

c為水比熱容，J/（kg·℃）；m 為水的質量流量，kg/s；Δt為微通道進出口溫差，℃；集熱單元照射熱量計算式為

A為集熱單元面積，m2。

為了研究微通道吸熱器表面的溫度和熱流密度分布的均勻性，在此引入均勻度概念。其值越小，說明均勻性越好。溫度均勻度K計算如下［15］：

式中：溫度的算數平均值和標準差計算如下：

n為溫度測點個數；Ti為第i個測點溫度，K；σt為溫度的標準差。

熱流密度均勻度Kq計算如下：

式中：熱流密度的算數平均值和標準差計算如下：

n為熱流密度測點個數；qi為第i 個測點熱流密度，W/m2；σq為熱流密度的標準差。

2 實驗結果及分析

實驗測試時，先開啟數據采集系統，然后通入設定溫度的循環水，穩定后，再將集熱單元蓋板揭掉開始接收太陽輻射，如圖6、7 所示。由圖可以看出，在不照射陽光時，入口11 個熱電偶最大溫差0.75 ℃，出口最大溫差0.75 ℃，整體均一化較好。當太陽輻射穩定后（波動＜50 W/m2，時間超過12 min），微通道吸熱器入口處11 個溫度測點溫差最大為1.5 ℃，出口處11 個溫度測點的最大溫差為2 ℃。CPC的聚光作用導致了吸熱器表面的不均勻熱流密度，從而導致了進、出口截面溫度的溫差。

圖6 微通道入口溫度變化圖

圖7 微通道出口溫度變化圖

馬玉森［14］使用Tracepro 軟件模擬計算了光線經過CPC到達微通道表面的熱流密度分布，根據其計算結果使用式（9）計算微通道表面熱流密度分布不均勻度，其值為0.87。而實際實驗中當集熱單元接受太陽照射后傳熱達到穩態（見圖8），出口流體溫度分布不均勻度較小，均不超過0.031，證明微通道有良好的均化作用。

圖8 太陽照射后微通道出口溫度分布不均勻度變化圖

3 結 語

闡述了CPC微通道太陽能集熱器運行特性實驗系統的設計與搭建關鍵環節，開發設計了微通道管內溫度測試模塊，實現了微通道平行流扁管11 個通道管內進出口溫度的測試，驗證了微通道平行流扁管對非均勻熱流密度的均化作用良好。基于LabVIEW 虛擬儀器軟件設計了數據實時采集及處理系統，更加直觀的觀察集熱器運行時各個參數的實時變化。可為太陽能集熱器動態性能測試系統設計與開發提供參考，也可用于本科教學實驗，使學生更直觀理解集熱器動態運行特性，深入理解太陽輻射、環境溫度、集熱溫度、水流量等參數對集熱器性能的影響規律。該實驗系統具有小型化、便于移動等優點，在熱工參數測量、太陽能利用等教學領域具有一定參考價值。